CN112179341A - 一种宇航用三轴一体光子晶体光纤陀螺惯性测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种宇航用三轴一体光子晶体光纤陀螺惯性测量装置，包括壳体、光学器件、三轴光子晶体光纤环、模数转换电路板、三轴共用主备份铒源、数模转换电路板、电路板支架、基准镜、电连接器盖板、对外电连接器、陀螺信号转接板、DSP电路板、二次电源电路板等；本发明提供RS‑422对外输出接口，能够同时输出被测载体在三个敏感轴向上的角速度信息，实现通讯接口的异构设计；本发明的提供了外部遥控开关指令，可以实现电源关断和光源切换；本发明内部的光纤陀螺用光纤环采用光子晶体光纤，光子晶体更具备抗辐照性能，满足宇航15年的长时间在轨运用；本发明内部的三轴光纤陀螺共用一块陀螺信号处理电路实现数据采集，即满足三轴测量数据同步又节省电路成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种宇航用三轴一体光子晶体光纤陀螺惯性测量装置，属于惯性测量技术领域。
背景技术
航天器作为高新科技发展的标志，在我国的现代化建设中扮演着极为重要的角色。随着航天领域和整个航天生态系统的发展变革，导航卫星具备长寿命高可靠使用要求，保证稳定可靠的提供地面定位和导航服务。
作为姿态控制系统的关键设备，惯性仪表直接影响系统的精度和性能，惯性仪表的寿命也制约卫星的使用寿命。光纤陀螺惯性测量装置凭借其体积、功耗、精度、空间环境适应性等多方面的优势得以大量应用，目前普通光纤陀螺对空间辐照环境的适应能力还需提高，研制新型抗辐照光子光纤陀螺从而有了必要。
光纤陀螺是一种全固态惯性仪表，其具有传统机电仪表所不具备的优点。它由光学器件和电子器件组成闭环检测系统，通过检测两束光的相位差来确定旋转角速度，其内部没有任何运动部件，在结构上是完全固态化的陀螺仪。光纤陀螺正是以其原理和结构上的优点，使其在许多应用领域具有明显的优势，其主要特点表现在以下几个方面：(1)高精度：国外高精度光纤陀螺精度已达0.00038°/h；(2)全固态：光纤陀螺的部件均为固态，具有抗真空、抗振动和冲击的特性；(3)长寿命：光纤陀螺内部无旋转部件和摩擦部件，且光学器件的使用寿命较长；(4)高可靠性：光纤陀螺结构设计灵活，生产工艺相对简单，且易于采用集成光路技术，信号稳定可靠。
现有技术中，光纤陀螺惯性测量装置多选用高等级宇航元器件实现三轴独立工作或三轴一体的设计方案，从而测量航天器三轴相对于惯性空间的姿态。但此设计方案只是在电路上保证了抗辐照功能，对于光纤陀螺另一个重要的组件—光路成为了薄弱环节。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上的不足，提供一种宇航用三轴一体光子晶体光纤陀螺惯性测量装置，其输出接口多样、质量轻、空间长寿命。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种宇航用三轴一体光子晶体光纤陀螺惯性测量装置，包括壳体、光学器件、Y轴光子晶体光纤环、模数转换电路板、上盖、三轴共用主备份铒源、数模转换电路板、电路板支架、X轴光子晶体光纤环、基准镜、电连接器盖板、对外电连接器、陀螺信号转接板、Z轴光子晶体光纤环、DSP电路板、电源、底盖、二次电源电路板；
Y轴光子晶体光纤环、X轴光子晶体光纤环分别安装在壳体的侧面，Z轴光子晶体光纤环安装在壳体内部，Y轴光子晶体光纤环、X轴光子晶体光纤环、Z轴光子晶体光纤环相互正交；
模数转换电路、数模转换电路板分别安装在电路板支架两侧，电路板支架安装在壳体顶部，光学器件安装在陀螺模数转换电路的下方；三轴共用主备份铒源安装在上盖内侧，上盖安装在壳体最顶端；
基准镜安装于壳体外侧；壳体下部安装光纤陀螺DSP电路板，DSP电路板位于Z轴光子晶体光纤环下方；陀螺信号转接板将陀螺数模转换电路板和DSP电路板接通，安装在壳体内；
二次电源电路板、电源安装在底盖上，底盖安装在壳体最底部；二次电源电路板给模数转换电路、数模转换电路板、DSP电路板供电；壳体底部外侧设置多个对外电连接器，对外电连接器侧面使用电连接器盖板进行封装。
一种宇航用三轴一体光子晶体光纤陀螺惯性测量装置，还包括接地桩，接地桩设置在壳体外侧，用于接地。
光纤器件包括探测器、耦合器、Y波导。
DSP电路板包括模拟电路板和数字电路板，陀螺信号转接板将陀螺数模转换电路板和模拟电路板接通。
铒源产生光信号，经过耦合器后进入Y波导，通过光纤环产生干涉信号发送给探测器，干涉信号由探测器转换为电信号后，经过模数转换电路输出，并通过数模转换电路处理成数字量，供DSP采集，DSP进行零位、安装误差、标度因数处理后，通过脉冲形式输出角速度信息。
DSP根据接收的控制信号对主备份铒源进行控制。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明的宇航用三轴一体光子晶体光纤陀螺惯性测量装置，系统电路使用RS-422接口实现角速率脉冲输出，通过硬件电路实现角速率、温度、电源电压遥测，内部信息齐全。并接受光源、电源开关指令。
(2)相对传统光纤陀螺，本发明使用光子晶体光纤替代传统的保偏光纤，更具备空间辐照环境下的使用，具备长寿命特性，特别适用高轨卫星长时间15年在轨运用。陀螺性能与光子晶体光纤厂家提供光纤的性能直接相关，光需要严格测试光纤各项性能参数，对光纤厂家出厂光纤进行端面检测，对光纤进行常温损耗、消光比测试，保证光纤拉制均匀性；对厂家提供的光纤进行性能复验，复验项包括光纤常温损耗、常温消光比、全温消光比变化等参数，确保每个光纤环的绕环光纤性能参数合格并一致。
(3)相对其他三轴一体光纤陀螺，本发明使用主备份光源配置，在一路光源出现故障的情况下切换至备份光源，增加可靠性。指令输入端采用冗余方式串联两个二极管，矩阵指令通过驱动继电器的线包来控制继电器输出电平信号，从而实现对一次电源通断电的控制，当控制系统发送主份光源开机或者备份光源开机指令时，光纤陀螺检测相应电平控制光源切换。
附图说明
图1为本发明的外形结构示意图；
图2为本发明的内部构成示意图；
图3为光纤陀螺的功能简图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1、2所示，一种宇航用三轴一体光子晶体光纤陀螺惯性测量装置，包括：壳体1、光学器件2、Y轴光子晶体光纤环3、模数转换电路板4、上盖5、三轴共用主备份铒源、数模转换电路板6、电路板支架7、X轴光子晶体光纤环8、基准镜10、电连接器盖板11、对外电连接器12、陀螺信号转接板13、Z轴光子晶体光纤环14、DSP电路板、电源17、底盖18、二次电源电路板19；
由磁屏蔽材料制成光纤环保护盖、光纤环骨架和光子晶体光纤一起形成光纤环组件，三个相互正交的光子晶体光纤环组件安装于壳体1的侧面及内部，Y轴光子晶体光纤环3、X轴光子晶体光纤环8分别安装在壳体1的侧面，Z轴光子晶体光纤环14安装在壳体1内部；陀螺光路部分的光学器件2(包括探测器、耦合器、Y波导)、电路板支架7依次安装于壳体1的顶部；模数转换电路4、数模转换电路板6分别安装在电路板支架7两侧，电路板支架7安装在壳体1顶部，光学器件2安装在陀螺模数转换电路4的下方；三轴共用主备份铒源安装在上盖5内侧，上盖5安装在壳体1最顶端；
基准镜10安装于壳体1外侧；壳体1下部安装光纤陀螺DSP板(包括模拟电路15和数字电路16)，DSP电路板位于Z轴光子晶体光纤环14下方；陀螺信号转接板13将陀螺数模转换电路板6和DSP电路板接通，安装在壳体1内；二次电源电路板19安装在底盖18上实现大功能发热模块的散热，底盖(18)安装在壳体1最底部，模数转换电路4、数模转换电路板6、DSP板、二次电源电路板19之间分别通过柔性线相连；壳体1两侧共安装有四个电连接器12，电连接器12使用螺钉紧固在壳体1上，电连接器侧面使用电连接器11进行封装。壳体1分别用上盖5和底盖18完成整体封装。
如图3所示，光纤陀螺工作原理如下：从泵浦激光器发出的泵浦光经过波分复用器(WDM)后进入掺铒光纤，激发出1543nm的宽带光波，经过隔离器后成为光纤陀螺所需要的光信号，经过耦合器后进入Y波导，通过光纤环产生干涉信号发送给探测器，干涉信号由探测器转换为电信号后，经过模数转换电路输出，并通过数模转换电路处理成数字量，供DSP采集，DSP进行零位、安装误差、标度因数处理后，通过脉冲形式输出角速度信息。DSP根据接收的控制信号对主备份铒源进行控制。
本发明采用层叠式的设计方案，使所述光纤陀螺惯性测量装置的外包络尺寸不大于162.8mm×162.8mm×135mm，重量不大于2.5kg，常温功耗不大于10W。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种宇航用三轴一体光子晶体光纤陀螺惯性测量装置，其特征在于：包括壳体(1)、光学器件(2)、Y轴光子晶体光纤环(3)、模数转换电路板(4)、上盖(5)、三轴共用主备份铒源、数模转换电路板(6)、电路板支架(7)、X轴光子晶体光纤环(8)、基准镜(10)、电连接器盖板(11)、对外电连接器(12)、陀螺信号转接板(13)、Z轴光子晶体光纤环(14)、DSP电路板、电源(17)、底盖(18)、二次电源电路板(19)；
Y轴光子晶体光纤环(3)、X轴光子晶体光纤环(8)分别安装在壳体(1)的侧面，Z轴光子晶体光纤环(14)安装在壳体(1)内部，Y轴光子晶体光纤环(3)、X轴光子晶体光纤环(8)、Z轴光子晶体光纤环(14)相互正交；
模数转换电路(4)、数模转换电路板(6)分别安装在电路板支架(7)两侧，电路板支架(7)安装在壳体(1)顶部，光学器件(2)安装在陀螺模数转换电路(4)的下方；三轴共用主备份铒源安装在上盖(5)内侧，上盖(5)安装在壳体(1)最顶端；
基准镜(10)安装于壳体(1)外侧；壳体(1)下部安装光纤陀螺DSP电路板，DSP电路板位于Z轴光子晶体光纤环(14)下方；陀螺信号转接板(13)将陀螺数模转换电路板(6)和DSP电路板接通，安装在壳体(1)内；
二次电源电路板(19)、电源(17)安装在底盖(18)上，底盖(18)安装在壳体(1)最底部；二次电源电路板(19)给模数转换电路(4)、数模转换电路板(6)、DSP电路板供电；壳体(1)底部外侧设置多个对外电连接器(12)，对外电连接器(12)侧面使用电连接器盖板(11)进行封装。
2.根据权利要求1所述的一种宇航用三轴一体光子晶体光纤陀螺惯性测量装置，其特征在于：还包括接地桩(9)，接地桩(9)设置在壳体(1)外侧，用于接地。
3.根据权利要求1或2所述的一种宇航用三轴一体光子晶体光纤陀螺惯性测量装置，其特征在于：光纤器件(2)包括探测器、耦合器、Y波导。
4.根据权利要求3所述的一种宇航用三轴一体光子晶体光纤陀螺惯性测量装置，其特征在于：DSP电路板包括模拟电路板(15)和数字电路板(16)，陀螺信号转接板(13)将陀螺数模转换电路板(6)和模拟电路板(15)接通。
5.根据权利要求4所述的一种宇航用三轴一体光子晶体光纤陀螺惯性测量装置，其特征在于：铒源产生光信号，经过耦合器后进入Y波导，通过光纤环产生干涉信号发送给探测器，干涉信号由探测器转换为电信号后，经过模数转换电路输出，并通过数模转换电路处理成数字量，供DSP采集，DSP进行零位、安装误差、标度因数处理后，通过脉冲形式输出角速度信息。
6.根据权利要求5所述的一种宇航用三轴一体光子晶体光纤陀螺惯性测量装置，其特征在于：DSP根据接收的控制信号对主备份铒源进行控制。
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| GR01 | Patent grant | ||
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